Sistemas verdes de drenagem urbana: avaliação comportamento hidráulico de canteiros de biofiltração

Abstract

O crescimento da população tem provocado um aumento e expansão dos aglomerados urbanos com graves consequências para o ambiente e para a drenagem urbana, decorrentes da impermeabilização crescente dos solos. Além disso, a perturbação das características hidrológicas naturais tende a diminuir os tempos de concentração das bacias hidrográficas e a aumentar os caudais de cheia. Os sistemas de drenagem tradicionais (SDT) têm sido os mais utilizados pela sua eficácia e simplicidade no seu funcionamento, contudo são sistemas sem capacidade para se adaptarem a gamas de caudais superiores aos que foram projetados. Isto agrava a frequência e o impacto nas inundações urbanas, devido aos efeitos das alterações climáticas e aumenta a pressão exercida sobre os sistemas existentes. Nesta dissertação são abordadas diversas temáticas que justificam a necessidade de inovação e melhoria da atual gestão das águas pluviais (GAP), sendo os sistemas verdes de drenagem urbana (SVDU) uma solução alternativa inovadora e eficaz para a conceção de futuras redes de drenagem de águas pluviais e para a necessária adaptação e reabilitação das redes existentes. Assim, o uso dos SVDU aumentam permeabilidade das superfícies urbanas e promovem a regularização e o controlo dos hidrogramas relativos aos eventos de precipitação. Neste estudo fez-se não só uma recolha, tratamento e análise de informação relativa à conceção e funcionamento dos SVDU, identificando as suas vantagens e inconvenientes, como também foi concebida e executada uma instalação-piloto que simula o funcionamento dum “canteiro de biofiltração”, com o objetivo principal de avaliar o comportamento hidráulico de dois meios porosos com tipologias distintas e com caudais correspondentes a eventos de precipitação plausíveis e previamente analisados através de uma análise estatística. Para o efeito, um dos meios porosos foi constituído por materiais granulares convencionais (tais como a areia e a brita) e o outro com materiais oriundos dos principais resíduos descartados no município de Guimarães (pontas de cigarro incorporadas em esferas de argila, cascas de ovos e desperdícios têxteis) com o objetivo de potenciar e promover o conceito da economia circular em soluções alternativas e inovadoras. Os resultados obtidos em ambos os meios porosos atestaram a eficácia destes sistemas na regularização e controlo dos hidrogramas relativos aos eventos de precipitação utilizados nos ensaios, tendo sido obtida uma redução máxima do pico de caudal de 15,6% e atrasos na saída da água e no pico de cheia de 1 min e 15 s e de 2 min e 30 s, respetivamente, em relação à situação de referência. Além disso, pelo facto de os resultados terem sido semelhantes nos dois meios porosos testados, verifica-se que os materiais reaproveitados empregues são viáveis neste tipo de sistemas, tornando este conceito promissor.

The global population growth around the world has led to an increase of the number of urban agglomerates as well as the expansion of the existing ones with severe consequences to the environment and to urban drainage. The rapid urbanisation promotes the impermeabilization of the existing natural surfaces to undertake the urban lifestyle which disrupts the existing hydrological conditions. This tends to decrease the concentration times of stormwater catchment areas and to increase the flow rates as well. Conventional drainage urban systems have been widely used, mainly because of their simple operation. However, they work under a limited range of water flows for which they were designed. This inflexibility to accommodate a wider range of water flows combined with the increasing intensity and frequency of rainfall events due to climate change are putting urban drainage systems under pressure. Several areas of study are addressed in this thesis that justify the urge to improve stormwater management in urban areas. Green urban drainage systems (also known as green infrastructure) are an innovative and effective solution as a new feature to be included in new urban drainage projects as well as a retrofit to the existing ones. In both ways they may play an important role in urban adaptation to climate change. These systems main purposes are to increase the percentage of pervious surfaces in urban areas and to equalize the stormwater’s hydrographs. Moreover, it allows the increase of stormwater flow rate amount drained to the existing urban drainage systems. This research was divided in two major parts: the theoretical conceptions and background regarding the design, operation, advantages and disadvantages of green urban drainage systems; and the design and construction of a field installation in order to assess the hydraulic performance of biofiltration planters with two distinct filtration media. A statistical analysis of precipitation events was made to ensure the use of plausible water flows in the experiment corresponding to precipitation events. One of the filtration media was developed with conventional materials such as gravel and sand. The other one was focused on the circular economy concept; therefore, it was composed by the main materials found in Guimarães municipality waste such as cigarette butts (processed into lightweight expanded clay aggregate), eggshells and textile waste. The results obtained on both filtration media proved the efficiency of this systems in the regularization and control of the hydrographs used in the experiments. Besides, there was a peak flow maximum reduction of 15,6% and delays of 1 min and 35 s and 2 min and 30 s of water output and flow peak, respectively. Furthermore, the results of both filtration media were very similar which confirms the viability in the use of reused materials.